电容式和电涡流传感器的线性位置和位移测量

通用传感器应用笔记LA05-0060

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概要:

实际上,所有电容式和电涡流传感器应用基本上都是对物体位移(位置变化)的测量。 本应用笔记详细说明了进行此类测量的具体情况,以及在微米级和纳米级位移应用中进行可靠测量所需的条件。
电容式传感器在干净的环境中工作,并提供最高的精度。 电涡流传感器可以在潮湿,肮脏的环境中工作。 当探头可以安装在物体附近且总位移很小时,它们可以经济地替代激光干涉仪。

非接触式线性位移传感器进行线性位移和位置测量

线性位移测量 这里指的是物体位置变化的测量。 使用电容式传感器和电涡流传感器对导电物体进行线性高分辨率非接触式位移测量是本应用笔记的主题。 电容式传感器还可以测量非导电物体。 有关使用电容式位移传感器测量非导电物体的讨论,请参见我们的 电容式传感器工作原理技术说明(LT03-0020).

相关术语和概念

由于电容式位移传感器和电涡流位移传感器具有高分辨率,近距离特性,因此有时将其称为 微位移测量 和传感器作为 微位移传感器 or 微米级位移传感器。 传感器配置为 线性位移测量 有时称为 位移计量仪 or 位移测量仪.

位移与绝对位置

在微米和纳米级别,电容式和涡流位移传感器

在微米和纳米级别,电容和涡流位移传感器最适合位移测量(位置变化),而不是绝对位置测量。

位移是物体位置变化的量度。 绝对位置是传感器的测量表面和物体之间精确距离的度量。

电容式和电涡流传感器主要用作位移传感器。 随着时间的推移(几个月和几年),传感器的校准会略有变化。 该偏移主要是传感器输出中的直流偏移。 相对于温度也有轻微的直流偏移。 该直流偏移将导致绝对位置测量中的一个小误差,该误差会随时间而增加。 这些误差很小,但是在亚微米级别,会影响精度。

传感器灵敏度(增益)的变化要小得多。 测量位置的实时变化需要一致的灵敏度,并且不受输出DC偏移的长期偏移的影响。 因此,电容式和涡流式位移传感器通常用于测量相对位置(位移),而不是绝对位置,特别是对于需要在亚微米或纳米级分辨率的微位移而言。

位移通常是由于某些变量而测得的。

测量位移(尤其是微位移)的典型原因是确定对象如何响应某些变化的条件。 位移测量通常会回答以下问题:当其他条件变化时,位移会移动多远?

故意位移: 通过运动控制定位系统有意地移动对象。 非接触式位移测量显示目标物预期位移的精度。

零件尺寸: 系统配置有已知良好的“母版”零件,然后将母版零件替换为要测试的零件。 测试部件相对于母材的尺寸差异由传感器的位移测量值表示。

温度: 在初始温度下测量物体的位置。 所关注的温度会发生变化(通常会随着机器的运行而自然发生),并且位移测量值会指示由于温度变化导致的位置变化的幅度。

振动: 使用带有示波器或数据采集系统的电容式或电涡流位移传感器实时进行线性位移测量,以指示物体的位移及其频率。 看我们的 振动测量应用笔记 了解更多详情。

压力: 空气轴承和其他流体轴承可以在不同的流体压力下运行。 物体在不同压力下的位移测量结果表明,当压力与其预期操作相比变化时,机器的实际行为。

磨损: 随着轴承和滑动件的磨损,运动部件的非接触式位移测量将表明沿意外方向的运动增加。 随着对象旋转,旋转运动将显示X,Y和Z轴上的位移增加。 线性滑块将显示在垂直于行进方向的两个轴上增加的位移。

线性位移测量是相对测量

线性非接触位移测量是相对测量,展示对象在一个或多个线性轴上从初始位置开始的位置变化。 每个线性位移测量轴都需要一个单独的位移或位置传感器通道。

电容式和电涡流位移传感器的基本线性位移测量

位移传感器安装在固定装置中,以使被测量的物体在传感器的测量范围内。 如果传感器包括零位(偏移)调整,则可以在此位置将传感器归零,以便在物体移动时更容易地解释线性位移测量。 如果不可能进行零位调整,则将记录位移传感器的初始输出,并从将来的测量中减去该值,以指示从初始位置开始的位置变化。

根据位移传感器输出结果计算位移

用于测量位移的传感器具有“灵敏度”规范,该规范指定相对于目标位置给定变化的输出变化量。 对于模拟电压输出传感器,该值以每距离单位或长度(例如,毫米,英寸等)的伏特表示。 对于数字输出传感器,此值以每距离单位的计数为单位给出。 在测量位移时,此灵敏度用于计算相对于输出变化的物理位移。

用于根据传感器输出结果计算位移的公式:

位移量=输出变化/灵敏度

模拟电压输出传感器:

输出电压变化 ; 灵敏度=电压伏特/距离单位

数字输出传感器:

输出计数变化 ; 灵敏度=计数/距离单位

微位移误差和注意事项

高性能电容式位移传感器和电涡流位移传感器通常用于测量微位移。 在微米位移级别上测量位移时,通常无关紧要的误差源将成为更重要的因素。

热属性对安装的影响

固定非接触式位移传感器或目标物体的安装系统的热膨胀和收缩会在测量中引入误差。 随着固定装置的扩展或收缩,传感器可能会朝向或远离目标对象移动。 位移是真实的,并且会影响测量,但是它不是由要测试的任何条件引起的位移。 线性位移传感器安装系统必须坚固,坚硬,且热稳定性要尽可能高。 在超精密应用中,要对环境进行严格控制和/或使用殷钢或其他零膨胀材料构建安装固定系统。

微位移传感器安装

除了热方面的问题,机械稳定性在微观上也更加复杂。 位移测量传感器必须通过安装系统牢固地固定在适当的位置。 当在微米或纳米水平上测量位移时,简单的固定螺钉型安装座可能不够稳定。

安装光滑的圆柱形线性位移传感器有多种方法。 在通孔安装座中使用固定螺钉只能将探头固定在两个点上——固定螺钉和与固定螺钉相对的点。 测头可从设定螺钉轴沿90°轴自由旋转。 根据固定螺钉推动探头所抵靠的表面的宽度,探头也可能也可以沿其轴线旋转。 增大固定螺钉上的力不会增加探头在其他两个轴上的稳定性。

固定螺丝安装锁

固定螺钉安装可沿探头的轴锁定探头,但在另两个轴上仍可能有运动,特别是在微米和纳米级别。

夹具安装

夹具安装座比固定螺钉安装座更稳定。 但是在微米和纳米级别,形状误差只能导致两点式夹具,非常类似于固定螺钉安装座。

三点夹

三点式夹具安装座本质上是稳定的,不受圆度上的小形状误差的影响。

更好的但不是完美的线性位移传感器安装方案是夹具式安装。 如果安装孔和探头完全圆滑,则此安装系统可以使探头在所有三个轴上稳定。 但是,任何一个零件的偏心都会导致类似于固定螺丝系统的两点安装系统。

最佳的安装系统使用多点夹具,每个点沿探头的轴线覆盖一定的长度。 夹具系统从典型的夹具安装配置开始,但也从围绕安装孔圆周的三点或四点之间的夹持孔中清除材料。 这种布置不受安装孔的偏心率或非接触式线性位移测量传感器的偏心率的影响–在所有三个轴上都是稳定的。

电容式位移传感器特有的其他注意事项

图电容式位移传感器的“探测光斑大小”约为探头检测区域直径的130%。 因此,它们通常不受任何周围物体的影响,并且可以与安装支架表面齐平安装。 唯一的例外是相对于检测区域的尺寸,使用极长的测量范围的校准。 这不适用于Lion Precision探头可用的任何现成的校准。

环境考虑因素

电容式传感器的线性位移测量必须在干净的环境中进行。 位移测量会受到电容式探头与被测物体之间空间中任何东西(空气或真空除外)的影响。

图

电涡流探头的安装必须在探头端部周围留出至少三倍于探头直径的无金属空间。 齐平安装需要沉孔。

电容式传感器对温度有一定的敏感性,但是系统可以补偿20°C和35°C之间的温度变化,且漂移小于0.04%FS /°C。

湿度的典型变化不会对电容位移测量产生重大影响。 极端的湿度会影响输出,最坏的情况是探头或目标上出现凝结。

电涡流位移传感器特有的其他考虑因素

电涡流位移传感器使用的磁场会吞没探头的末端。 结果,电涡流位移传感器的“探测斑点大小”约为探头直径的300%。 这意味着距离探头三个探头直径以内的任何金属物体都会影响传感器的输出。

该磁场也沿着探头的轴向往其后方延伸。 因此,探头的感应面与安装系统之间的距离必须至少为1.5倍于探头直径。 电涡流位移传感器不能与安装表面齐平安装。

如果不可避免地在探头附近产生干扰物,则必须进行特殊的校准,最好是将探头放在固定装置中。

多个探针

当多个探头测量同一个目标时,必须将它们分开至少三个探针直径的距离,以防止通道之间发生干扰。 如果不可避免,可以进行特殊的工厂校准以最大程度地减少干扰。

环境考虑因素

使用电涡流传感器进行线性位移测量可避免测量区域中的异物进入。 电涡流非接触式传感器的最大优点是它们可以在相当恶劣的环境中使用。 电涡流传感器看不到所有非导电材料。 即使是例如加工过程的切屑金属材料,也因为太小而无法对传感器产生显著影响。

电涡流传感器对温度有些敏感,但是系统会对15°C和65°C之间的温度变化进行了补偿,其漂移小于0.01%FS /°C。

湿度的变化对电涡流位移测量没有影响。

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